离心泵的汽蚀及预防措施

钟亮 戚得新 周豪

摘要： 汽蚀是离心泵失效的重要方面，对离心泵有相当大的影响。本文简要介绍了离心泵图中发生水泵汽蚀的各种原因、汽蚀发生现象的各种分类、汽蚀可能产生的各种危害，提出了实际工业生产中用于预防发生汽蚀的各种措施，如尽量降低离心泵的整体安装量和高度，减少空气吸入泵和管道的空气阻力等等该方法可用来有效抑制高压离心泵的发生汽蚀。

Abstract： Cavitation is an important aspect of centrifugal pump failure and has a considerable impact on centrifugal pumps. This article briefly introduces the various causes of water pump cavitation in the centrifugal pump diagram， the various classifications of cavitation phenomena， and the various hazards that cavitation may cause， and proposes various methods for preventing cavitation in actual industrial production. Measures， such as reducing the overall installation volume and height of the centrifugal pump as much as possible， reducing the air resistance of the air suction pump and pipeline， etc. This method can be used to effectively suppress the occurrence of cavitation in the high-pressure centrifugal pump.

關键词： 离心泵;汽蚀;原因;预防措施

Key words： centrifugal pump;cavitation;cause;preventive measures

中图分类号：TH311                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0100-03

0  引言

离心泵式输油泵在各种液体塑料原油的生产加工以及生产传动输送泵的过程中由于在其应用非常的广泛，这样它也就是一种非常常见的大型各种液体塑料原油传动输送泵的机械传动装置，而各种类似汽蚀作用反应这类现象无疑的也是离心泵日常维护工作以及运行维护过程中频繁存在出现的并且频率很高的一种常见安全问题，汽蚀作用反应这类现象的频繁出现存在对于液体原油传动离心泵的正常工作运行维护工作会对它具有一定的不利性和影响，同时这也可能会给离心泵的日常运行管理、维护等日常设备工作运行过程中会带来麻烦，为了有效的的保证液体原油传动离心泵的正常工作运行维护工作，延长离心泵的正常工作使用寿命，采取有效的安全防护管理措施，防止各种类似汽蚀作用反应这类现象的频繁存在出现等这些都是非常十分的很有必要的。

1  离心泵的工作原理及汽蚀现象的产生机理

1.1 燃油泵输油系统工作原理

原理采用电动力传动牵引内燃机车牵引柴油机的燃油动力供给主要是依靠一套燃油泵备用输油装置系统启动装置，因此，为了有效保证牵引柴油机正常供油，在牵引机车上需要装有2套泵的燃油泵备用输油装置系统启动装置，一套泵的使用，一套泵的备用。因此当正常工作的一套燃油泵备用输油装置系统启动装置内部发生严重故障时，可以人工脱扣启动另外一套泵的备用输油装置正常工作。牵引机车是在牵引电动列车运行中，当一套备用燃油泵输水系统装置发生严重故障后，必须在一到两个机器间进行人工启动断开闭合控制该套系统的人工脱扣启动开关3dz，闭合断开控制另一套系统的人工脱扣启动开关4dz。实际机车运用中，司机在正常操纵牵引机车的运动同时，既要注意瞭望机车线路、信号运行状况，还要随时监视机车监控器的工作动态，所以对机车燃油泵和压力的自动变化有时不能及时发现，尤其主要是带有燃油泵的发电机自动偷停的发生故障很难及时发现。一旦司机耽误工作时机，柴油机就可能会自动出现频频冒黑烟、大幅度的晃悠车，导致牵引柴油机无法停机，造成牵引列车无法停车发生事故，严重的会影响牵引列车安全正常运行。

1.2 汽蚀现象的产生机理

离心式油泵在正常高速工作的运行过程中，叶轮往往会不断进行高速的横向旋转，贮存燃料槽内的气体液面与离心泵的叶轮吸入泵出口压的液面之间必然往往会同时存在一定的蒸汽压强差，当被叶轮吸进的这些液体的液压饱和最高蒸汽压力的pv常常大于叶轮所吸进口处的最低蒸汽压力浓度pk时，所有被吸进的这些液体就会在叶轮的所吸进口处快速发生局部气化反应现象，在这种特殊情况下，液体进口中的活性气体也会快速产生对流逸出口的现象，在叶轮所吸进口附近处就会形成大量的活性小气泡，如果这些气泡内的局部气化反应压力常常小于这些液体内的压力，叶轮所吸入口处的这些液体就必然会快速发生相互间的撞击，这种液体局部气化压力的迅速不断增大往往会对这些液体的正常快速传送过程造成很大的不良影响，同时，液体对周围的一些金属表面气体进行快速的、频繁的相互撞击时也会直接造成周围金属表面的受热损坏。另一方面，液体中很多时可能还仍然存在着一些诸如氧气等活性发泡气体，而此时的活性气泡的发热量又会很高，很容易直接造成周围金属表面的受热腐蚀。（如图1所示）

2  汽蚀理论和汽蚀参数

2.1 汽蚀理论

离心泵在机油泵正常运行工作时，叶轮由传动机械臂或原动机上的旋转齿轮驱动流经叶片间并作一定轴向速度高速旋转径向高速运动，迫使液体流经通过叶片间的外缘流动物在液体也随之高速运动时并作径向高度旋转高速径向运动。同时，因为与高压离心力的相互作用，液体由叶轮中心向流经叶片间的外缘高速运动时并作径向高度旋转高速运动，随后液流使其通过进入叶轮上的蜗壳。此时流动液体在通过叶片流经叶轮的高速旋转运动径向旋转输送过程中后即可以高速获得动能，液流在其通过进入叶轮上的蜗壳后因过大的流量而流动时表面积的最大幅度有所增大而使之径向减速，动能随之高速转化从而转变成作为泵的轴向转动压力做能。转动压力做功即通过高压离心泵的高速转动压力做功，液体从泵的轴向压力低压离心泵运动转变成作为泵的轴向压力高压泵后即可輕松实现各种固体石油物料的高速旋转输送。

流动区会形成一个低压溢流区，而且从入口流出来的气流还未完全获得叶轮的内部足够流动能量，即使叶轮无法将外界外的热量直接导入，也会很易于不断出现叶轮压力密度低于规定液体时的气化溢流压的异常情况，此时叶轮泵内就会不断产生空化阀和汽蚀阀的现象[6-11]。汽蚀过程是汽沫液体在汽泡流动中迅速嬗变为气泡汽体、再经过回归嬗变为汽泡液体的一个过程，即它是汽泡液体产生、发展及汽沫破裂的一个过程，从而由汽泡液体产生发展到汽沫消失所用的周期时间极短，是一个复杂的液体动态物理过程。气泡汽化的最终结果就是在汽泡液体中仍然产生很多液体汽泡，汽泡中仍然充满了大量液体汽泡蒸汽以及少量不能溶解于汽沫液体或水中的汽泡气体。但是当这些汽泡蒸气随汽沫液体流动进入低温高压区时，汽泡就可能会迅速发生破裂，周围汽泡液体迅速破裂填充原来在汽泡中的空穴，产生巨大的一种属于内向液体爆炸侵蚀性质的外向冷凝液体冲击，随之液体蒸汽又重新开始凝结而形成汽沫液体，汽泡从此消失。而在汽泡液体破裂后的过程中，有一部分小的汽泡液体是直接附着在驱动导流器的组件表面上并经破裂后再凝结而形成汽泡液体的，这部分汽泡液体蒸汽如同无数细小的高频圆形撞击锤一样撞击到了金属表面，造成了对金属表面的严重侵蚀。

2.2 汽蚀参数

npsh泵液体吸出输入口处小于单位液体质量的汽化液体等于超出当泵液体最大汽化输出压力的富裕输出能量（以m或m液体圆柱计），称之为汽蚀压力余量。其最大值通常等于从液体基准面质量算起的当泵液体吸入输出口的总最大吸入压力时即减去该质量液体的最大汽化输出压力（又称绝压，以m或m液体圆柱计），即：

式中

Ps——泵吸入口压力，Pa;

Pu——液体在该温度下的气化压力，Pa;

us——泵吸入口平均速度，m/s;

ρ——液体密度，kg/m3。

3  离心泵出现汽蚀的常见原因及其危害

3.1 汽蚀的原因

离心机械泵和机汽蚀是否不能同时出现有效泵泵汽蚀，主要与有效离心泵泵和机汽蚀期间累积温度余量（npsha）和必须同时防止泵泵汽蚀期间累积温度流量（npshr）间的高低关系有关，有效离心泵泵和机汽蚀期间累积温度余量不能同时出现明显温度下降，汽蚀期间累积温度流量明显温度上升，两者的旋转方向的相交点就是必须防止有效汽蚀的一个主要临界点。有效离心泵泵和机汽蚀期间累积温度余量的明显温度下降直接就可能会出现导致有效离心机和动力泵不能同时出现有效泵泵汽蚀期间累积余量现象。所以这是引起有效离心泵泵和机汽蚀期间累积温度余量不能明显降低的主要原因汽蚀累积原因所需要具有的条件是包括如下下列几个主要汽蚀方面：

①大口径流量污水引起叶轮泵轴进口水泵速度不断增加，从而直接引起了水泵泵轴进口至叶轮以及泵轴进口至泵管路过程中的水流压力梯度增加;

②系统的变化引起进口压力损失;

③活动泵体和进口运输系统中活动液体被意外受热加温，引起活动泵体和进口系统液体加热汽化后的压力急剧升高。

3.2 离心泵汽蚀的危害

汽蚀对离心机和泵来说有许多大的危害，长期在叶轮断裂机的工况下正常运行，会很快地致使叶轮上的材料结构出现疲劳及脆性剥蚀，从而严重影响离心泵的正常运行工作。

3.2.1 汽蚀产生噪声和振动

离心机在进气泵内部转动产生剧烈内部汽蚀时，气泡泡沫液体流道进入一个温度高压而且压力大的区域之后气泡会迅速速度增大从而缩小并迅速发生气泡破裂，由于整个泡沫气泡迅速发生溃灭，造成泡沫气泡块状液体泡沫微粒扩散集团之间及其他泡沫液体气泡微粒扩散集团与其他气泡液体流道的表面和气泡壁面之间的剧烈摩擦撞击，因而有时可能会直接听到产生各种不同的高频率和大强度范围的复杂电磁波和噪声，一般这种电磁噪声直接产生时的频率在600～2500hz之间，有时也甚至可能会直接听到产生各种具有更高频率强度和低频率的复杂电磁波和超声波。如果内部汽蚀严重时，可能会直接听到离心机从泵内在泵腔内发出有噼噼啪啪的高频爆炸振动声音，并且可能会直接引起离心泵的剧烈高频振动，致使整个离心泵不能正常运行工作或者运行。

3.2.2 汽蚀降低泵的性能

在该机与泵内部发生潜伏模式模型汽蚀的这个初始实际操作运行阶段，泵的内部机械性能参数没有显著性的发生变化，对整个机与泵的外部性能结构及其特性亦就毫无明显性的直接影响，因而又被人们称为一种具有潜伏性的的模式模型汽蚀，往往不被当时代的人们所觉得十分注意。长期以来也正处在这种具有潜伏性的模式模型汽蚀实际操作运行工况下的一些实际工作中的机械和零部件往往至少会直接使整个泵内部受到一些严重破坏。但由于有待这种潜伏模式汽蚀操作工况继续发展至少能达到一定的无损害性的程度，汽泡大量积液继续重复产生和迅速出现溃灭，堵塞了多余液体输出流道，破坏了泵内各种多余流量液体的稳定流动性和连续性，使整个机与泵的多余液体输出流量、扬程、效率均明显相比有所大幅下降，严重时还极有可能导致使其从整个泵内部的呼吸中得不到以上各种多余量的液体，这时候的整个泵已完全处于无法及时恢复而能继续正常的泵工作了。

4  提高离心泵抗汽蚀能力的措施

4.1 提高离心泵的自身抗汽蚀性能

4.1.1 合理改善优化叶轮几何形状整体结构  叶轮几何形状整体结构对石化工业采用离心泵叶片齿轮有重要的对抗运动防御影响，合理对叶片齿轮轴的轮体几何形状结构整体尺寸与叶轮轴的形状整体结构尺寸进行综合设计并经改进后就一定可有较高效率地彻底防止离心泵的叶轮叶片汽蚀发生老化衰退现象，具体方法设计建议阐述如下：①合理改善优化叶轮提高叶片驱动进口叶轮盖板内壁直径;②合理优化改善选择采用叶轮驱动进口盖板冲角;③合理优化改善齿轮提高采用叶片叶轮驱动进口叶片盖板内壁厚度;④合理改善选择叶轮前驱动进口叶片盖板的最大进口曲率和前进口盖板半径。同时还充分考虑到了可以适当改善采用叶片齿轮驱动延伸法来提高驱动叶片叶轮盖板进口边缘的延伸方向、提高叶轮驱动叶片盖板进口边对叶轮流道的粗糙度和硬化侵蚀程度、合理改善采用齿轮布置平衡孔、适当改善采用齿轮提高叶片齿轮驱动叶片盖板进口数的多种设计方法等都可以有效提高我国石化工业采用离心泵的轮轴对抗叶轮叶片汽蚀的运动防御能力。

4.1.2 新材料技术大大提高过流汽蚀防护能力  目前采用复合化学材料涂层、表面处理化学涂层热处理、焊接涂层、补焊和其他合金材料粉末涂层喷涂的多种方法，均主要是通过采用增加过程涡流溢压断面泵体表面涂层硬度或增加在过程溢流断体表面涂层形成汽蚀保护层的一种方法使用来大大提高液压泵的过流汽蚀防护能力。临床实践证明，采用节能环保聚氧乙烯树脂、聚氨酯等复合材料或将涂层贴在过流保护部件的泵体表面，其汽蚀防护作用时间可以提高幅度大于2.5倍，使用寿命可以延长将近一倍。

4.1.3 叶轮可以采用一种抗压和汽蚀铸铁材料  由于很难完全有效防止离心液压泵叶轮出现抗压汽蚀，可以考虑选用一种抗压和汽蚀铸铁材料为其制造的叶轮，以大大延长其叶轮使用寿命。铸铁材料的化学强度、硬度、韧性系数越高，化学性质稳定性越好，抗压和汽蚀保护性能就越强。

4.2 优化离心泵安装、使用和运行参数

①离心泵泵的安装高度合理。最小泵的离心安装高度不得小于最大泵的安装高度就这样可以有效保证离心泵本身不会长期出现被蒸汽蚀蚀的现象。②有效降低企业吸入道路管道汽蚀阻力。在企业进行吸入管路汽蚀设计时，可以通过采用增加吸入管径、降低吸入管道内水力流速、减少吸出管道吸入附件、缩短吸入管道附件长度的多种方式，以大幅减小由于吸入进出口的管道水力流动损失，从而可以达到快速提高有效率的汽蚀保护余量的设计目的，可有效率地提高液压离心泵的流动抗压和汽蚀保护能力，该设计方法简单而又实用。③适当调整起动转速。适当的转速降低离心泵的起动转速，可以有效使用离心泵的后期汽蚀累积余量实现成平方向的降低，可有效率的减少离心机在泵后期出现大量汽蚀的发生机率。

4.3 CFD技术改善离心泵汽蚀性能

由于离心式水泵叶轮泵的流动条件情况复杂，常规方法提高水泵汽蝕过程试验计算方法性能具有一定的技术弊端。cfd（临床计算水泵流体机械动力学）：其技术特点是通过临床实验室的数据分析建立水泵汽蚀与叶轮水泵几何流体形状的相互关系计算模型，是有效提高叶轮水泵汽蚀试验性能的一个强有力的计算工具，具有技术应用领域范围广、计算分析能力强、计算结果可靠等诸多技术优势。

5  处理汽蚀问题实例

某热水厂2台卧式取暖吸水泵正常运行很长一段时间后，出现叶轮振动、声音也大，水泵叶轮盘根出口处有气体被吸入，未见任何水向外流或滴落。零件解体后我们发现叶轮泵的入口处有许多圆形凹坑，初步分析认为吸水泵出口发生了汽蚀。我们进行现场排查分析发现：该吸水泵实际设计时水流量7000m3/h、扬程56m，由于每个泵口和出口只有一个拍门，无有泵流量自动控制阀，实际正常运行时泵流量8200m3/h，也就是说该泵长期在偏大的泵流量大的工况之下运行;其次，入口处的拦污栅处可能有许多树枝和其他塑料袋等灰尘杂物造成堵塞。

我们经过分析，造成吸水泵出口汽蚀的根本原因主要是指当吸水泵在管路中的阻力过大增加时会导致吸水装置发生汽蚀而使余量叶轮npsha强度降低;而正常运行时泵流量的阻力加大则会使得叶轮npshr强度增大，最终可能导致吸水泵出口发生过大汽蚀。应急处置解决措施：将叶轮改为采用钢板手工焊接的，将叶轮外径尺寸减小到合适叶轮尺寸（这样即可以控制正常运行泵的流量），并定期用水清理入口拦污栅，此后未见泵出现过大汽蚀余量问题。

6  结语

离心机对泵正常汽蚀的处理危害通常是严重的，掌握离心泵的正常汽蚀处理性能，根据我国原油工业生产的实际使用情况，查找汽蚀原因，制定处理措施，正确地进行选择采用相应的处理方法措施加以解决，可以有效保证离心泵的合理正常运行，提高离心泵的正常工作效率，防止其他汽蚀及其严重危害的同时发生。

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